Gépelemek 1. A TANTÁRGY CÉLJA, MÓDSZEREI

Átírás

1 A TANTÁRGY CÉLJA, MÓDSZEREI

2 Műszaki alkotások

3 Gép, gépelemek Gép: A gép olyan eszköz, amely munka végzésére vagyenergia átalakítására szolgál és működése mechanikai elvre vezethető vissza. (Mechanikai mozgás nélkül nem beszélhetünk gépről.) A gépek, az összetett szerkezetek különböző absztrakciós szintű elemzése során viszonylag kis számú típusba sorolható építőelemhez, gépelemhez jutottunk. A gépelemek a funkció, az azt megvalósító működési elvek és a kialakítás azonossága vagy hasonlósága alapján csoportosíthatók és tárgyalhatók. A gépelemek lehetnek tényleges elemek (csapszeg, tengely, rugó stb.) vagy több, összetartozó építőelemből álló szerelt, működő egységek (csavarorsó-anya, csapágy, tengelykapcsoló stb.).

4 A gépelemek alaptípusai kötések: erővel, alakkal, anyaggal záróak; funkciói: erő és/vagy nyomaték vezetése; térképzés elemei: csövek, szerelvények, nyomástartó edények, tömítések, funkciói: közegek elhatárolás a környezettől, azok szállítása, áramlásuk szabályozása, stb. rugók, rugórendszerek: különféle fém és gumirugók (polimer rugók); funkciói: energiatárolás, csillapítás, dinamikai rendszerek hangolása, stb. ágyazások: sikló- és gördülőcsapágyak és csapágyazások; funkciói: erőátadás mozgás mellett; hajtások, hajtásrendszerek: tengelyek, tengelykapcsolók, fogazott elemek, szíjak, láncok, dörzshajtások, funkciói: teljesítmény (nyomaték) vezetése, átalakítása.

5

6

7 A mérnök feladata A mérnökök feladata, hogy megtalálják egy műszaki alkotás, egy műszaki probléma megoldását, és azt a lehetőségek adott határain belül: az anyag, a szerkezeti kialakítás, a gyártástechnológia, az ember-termék kapcsolat minősége, a ráfordítás (költség és idő) szempontjából optimálják.

8 A tervező / fejlesztő munkája A feladat: nem determinisztikus, sokoldalú és átfogó tevékenység, alapját egy sor tudományág adja, matematika, mechanika, anyagtan, technológia, áramlástan, hőtan, gazdaságtan, stb. és mind jobban felhasználja az ergonómia, az esztétika, a formatervezés, a marketing, és más határ-társadalomtudományok ismereteit

9 A tervezésmódszertan két lehetséges útja

10 A tervező feladata A mérnök tevékenysége többszörös kölcsönhatásban van a társadalom tagjaival, egy rendszer részeként dolgozik. Munkáját a műszaki-tudományos szempontok mellett vezérli: a minőség (Q), a költségek, a (határ)idő.

11 A tervező helye egy minőségirányítási rendszerben Minőségirányítási rendszerek: ISO 9000, TS 16949, Környezetközpontú irányítási rendszer: ISO és mások.

12 Ráfordítások (költség, idő) Különféle gyártási eljárások költségeinek összevetése a gyártandó darabszám függvényében. A választandó gyártási eljárást a gyártandó darabszám döntse el!

13 A tervezés/fejlesztés egy folyamat A tervezés/szerkesztés/fejlesztés egy folyamat, egy technológia. Kell: erőforrás: az ember kreatív tudása és segítője a számítógép; módszer: pl. CAD, CAE, VEM, FMEA, stb. Belátható: a bővülő ismeretkörök lefedés -ét a csoportmunka formája teszi lehetővé. Leghelyesebb, ha a feladatmegoldásban érdekelt összes szakembert egy asztalhoz ültetjük.

14 A csoportmunka Meg kell ismerni a csoportmunka: módszertanát (pl. ötletelés, NCM, 8D, QFD, DFMEA, stb.) etikáját.

15 A tervező hármas feladata A tervező/fejlesztő kezdetben három ismeretlennel szembesül. Ezek: a szerkezeti elem terhelése, az igénybevételi és a határállapota, valamint a geometriai kialakítása, a mérete.

16 A tervező feladatai A tervező első feladata: a méretezés/ellenőrzés alapjául szolgáló terhelések meghatározása. Terhelés alatt mindazokat a külső hatásokat értjük, amelyek hatással vannak a szerkezeti elem működésére, élettartamára, használhatóságára. Feladat: a terhelés-modell megalkotása. Alapok: terhelésanalízis elmélete és gyakorlata. A mérnök általában egy adott élettartamra tervezi berendezéseit, ezért számára a terhelés, mint időfüggvény a legfontosabb.

17 Különböző időfüggő terhelésmodellek M(t) Terhelés mint idõfüggv. Idõben változó Idõben állandó M(t) M(t) t Alkalmazási példa -tengelyre húzott gyűrű, -olvasólámpa, -csavarkötések, Folyamatosan Változó Szakaszosan változó M(t) t -szakaszosan üzemelő axiális járókerék, Változó ampl. Állandó amplitúdó M(t) t -görgők, -fogaskerekek. Rendszertelen Rendszerezett M(t) t -programozott, kísérleti alkatrészfárasztás Stacionér M(t) t -valóságos terhelés, Instacionér [Matolcsy Mátyás nyomán]

18 A tervező feladatai A tervező második feladata: a szerkezet helyes működése szempontjából még megengedhető hatások és igénybevételi állapotok határainak feltárása. Röviden: az igénybevételi és a határállapotok feltárása Előre fel kell ismerni a meghibásodási, a tönkremeneteli lehetőségeket! Módszere pl.: DFMEA (Design Failure Mode and Effect Analysis)

19 Tönkremenetel, meghibásodás okai Okok lehetnek: a terhelés alatt elmozduló felületeken fellépő súrlódás hatása (pl.: melegedés, kopás, berágódás), hőmérsékletmező hatása (pl.: anyagtulajdonság változás, hőtágulás, hőfeszültségek), meg nem engedhető mozgás ( pl.: rezgés, lengés), különféle közegek, sugárzások hatásai (pl.: korrózió, duzzadás, öregedés, anyagtulajdonság-változás), villamos, optikai, egyéb tulajdonságok változása, biológiai károsodás, stb.

20 A tönkremeneteli folyamat A tönkremeneteli folyamatok elvezethetnek: a használati érték csökkenéséhez, szükségessé váló felújításhoz, karbantartáshoz, a legveszélyesebb módhoz, a töréshez. A törés kapcsolatban van az elem feszültségi- és alakváltozási (rugalmas, képlékeny, kúszási, relaxációs, stb.) állapotával. Megjegyzés: további tárgyalásunkban elsősorban a rugalmasságtan egyszerű anyagmodelljét, a Hooke-törvényt, mint anyagtörvényt fogjuk alkalmazni, de esetenként kitekintünk a rugalmas-képlékeny határállapotra, mint a teherbírási tartalékok feltárására alkalmas modellre illetve a törésmechanika tanításaira is.

21 A tervező feladatai A tervezőmérnök harmadik feladata: a méretezés. Ennek során megtervezi a szerkezeti elem geometriai kialakítását, méretét oly módon, hogy az általa már meghatározott terhelésből kiindulva számítja az igénybevételi állapotot, és ezt összevetve az általa előírt határállapottal megállapítja, hogy az elem biztonsága (megbízhatósága) megfelelő-e. határállapotot jellemző érték biztonság(tényező)= igénybevételi állapotot jellemző érték A határállapot jelenthet használatra való alkalmatlanságot is. Pl. kívánatosnál nagyobb alakváltozás, kihajlás, horpadás, kopás, stb.

22 A tervező feladatai Napjaink jellemzője: a valóságot egyre jobban megközelítő modellalkotási és méretezési/ellenőrzési eljárások, ill. elméletek. Pl.: halmozódó károsodások elmélete, üzemi szilárdság fogalma, matematikai statisztikai megközelítések, pl. adott meghibásodási, tönkremeneteli (túlélési) valószínűségre való méretezés, törésmechanikai méretezés, ellenőrzés, rugalmas-képlékeny határállapotra való ellenőrzés, és egyéb, további elméletek, módszerek.

23 ANYAG- ÉS GYÁRTÁSHELYES ALKARTÉSZTERVEZÉS ALAPJAI

24 Gyártáshelyes alkatrésztervezés elvei és módszerei Gyártáshelyesnek az a működési követelményeknek megfelelő termék tekinthető, amely az adott vállalati körülmények között és adott gyártási mennyiség esetén a legkisebb gyártási költséggel állítható elő.

25 Tervezői feladatok Tervezői feladat: a követelmények ismeretében az alkatrész anyagának kiválasztása. A szerkezeti anyagok közül választhat: öntöttvas, acél, alumínium, bronz, polimer, üveg, porcelán, kerámia, fa, papír stb. Első közelítésben: a fizikai-mechanikai tulajdonságok nagyságrendi különbségei vezethetik gondolatainkat.

26 Szerkezeti anyagok tulajdonságai Fordítsuk figyelmünket: a mechanikai, a termikus, a villamos, az optikai, a tribológiai, az egyéb, specifikus tulajdonságokra. A tervező feladata: kihasználni a előnyös tulajdonságokat és csökkenteni a hátrányosak káros hatásait!

27 Példa fémek és polimerek összehasonlítására A polimer tulajdonságok nagyságrendjei a fémekéhez képest: Mechanikai tulajdonságok: Termikus tulajdonságok: sűrűség (ρ): kb. 1/7-e, rug. modulus (E): 1/10-e, húzószilárdság (σ B ): 1/10-e, fajlagos nyúlás (ε): szor nagyobb, csillapítóképesség (tgδ): 10-szer nagyobb, tartós üzemi hőmérséklet: <100 o C, hőtágulási együttható (α): szer nagyobb, hővezetési tényező (λ): szor rosszabb fajlagos hőkapacitás (c p ): 2-3-szor nagyobb.

28 Példa fémek és polimerek összehasonlítására A polimer tulajdonságok nagyságrendjei a fémekéhez képest: Villamos tulajdonságok: fajlagos ellenállás(ρ): a szigetelő anyagok nagyságrendjében, relatív dielektromos állandó(ε): kondenzátor anyagok nagyságrendjében. Tribológiai tulajdonságok: Optikai tulajdonságok (üveghez képest): nagyobb törőszilárdság, kisebb sűrűség és felületi karcállóság, jó törésmutatók; jó fényáteresztő képesség. kis súrlódási tényezők; (fontos μ 0 <μ(v) ), jó beágyazó-képesség, jó szükségfutási-képesség.

29 Gyártáshelyes alkatrésztervezés elvei és módszerei Egy alkatrész geometriai kialakításának szabályait mindig az adott gyártási folyamat elemzésével, az eljárás lehetőségeit ill. korlátait figyelembe véve kell megalkotni.

30 Alkatrésztervezési elvek, módszerek vas- és acélöntvényeknél A különféle öntési eljárások előnyei: az öntés a legrövidebb út a nyersanyagtól a késztermékig, több különálló darab helyett egyetlen öntvény, integrált szerkezeti elem készíthető, az előállítható darabok tömege a néhány grammtól több tonnáig változhat, kisebbek a megmunkálási költségek, mintha tömör anyagból gyártanánk, tetszetős, formatervezett, un. szoborfelületek is gyárthatók.

31 Alkatrésztervezési elvek, módszerek vas- és acélöntvényeknél Vasöntvények néhány előnyös tulajdonsága: külső bemetszésekkel szemben kis érzékenység, jó rezgéscsillapító, jó kopásálló, könnyen megmunkálható, nyomást jobban viseli, mint a húzást. Acélöntvények (ötvözetlen; gyengén- ill. különféle módon ötvözöttek): lehet jó hőálló, korrózióálló, stb.

32

33 Példa egy öntvény gyártáshelyességének felülvizsgálatára Mintagyártás Formázás ill. modell kiemelése Az anyag öntése (folyási tul.) Dermedés és lehűlés (zsugorodás) egyszerű geo. formák, egyszerű gyártás, osztatlan modell, lehetőleg mag nélkül, egyszerű, jól támasztható magok. 1:20 1:50 formázási ferdeség, alámetszések elkerülése, átmenetek jó lekerekítése. a falvastagság ne változzon ugrásszerűen, a falvastagság a felöntés felé növekedjen, (ellenőrző körök módszere), a szívódások megelőzésére. a dermedést irányítani, anyaghalmozódást kerülni (lunker), ugrásszerű falvastagságváltozást kerülni (repedésveszély), szimmetrikus részletekre törekedni (sajátfeszültség és torzulás elkerülése)

34 Példa egy öntvény gyártáshelyességének felülvizsgálatára Példa: a mintagyártás követelményeinek teljesítésére

35 Példa egy öntvény gyártáshelyességének felülvizsgálatára Példa: a formázás ill. a modell kiemelése követelmények teljesítésére

36 Példa egy öntvény gyártáshelyességének felülvizsgálatára Példa: az anyag öntése követelmény teljesítésére

37 Falvastagság [mm] Példa egy öntvény gyártáshelyességének felülvizsgálatára 50 Falvastagság becslése az öntvényméretek alapján L az öntvény hossza [m] B az öntvény szélessége [m] H az öntvény magassága [m] ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 [The International Meehanite Metal Co. Ltd. nyomán]

38 Példa egy öntvény gyártáshelyességének felülvizsgálatára Példa: a dermedés és lehűlés követelmény teljesítésére

39 Öntött alkatrészek kialakítási irányelvei (példák) Pahl - Beitz: A géptervezés elmélete és gyakorlata, Műszaki Könyvkiadó, 1989.

40 Hidegfolyatással készült elemek kialakítási irányelvei (példák)

41 Hajlított munkadarabok tervezési szabályai (példák)

42 Szerelést egyszerűsítő kialakítás irányelvei (példák)

43 Képek forrása: Tóth S. Bisztray S. Molnár L. Marosfalvi J.: Gépelemek I., Műegyetemi Kiadó 2007., G. Pahl W. Beitz: A géptervezés elmélete és gyakorlata, Műszaki könyvkiadó, Budapest, 1981.